CN105271853A - 一种火驱稠油热采井固井水泥 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种火驱稠油热采井固井水泥，属于石油开采技术领域。本发明的水泥包括以下按质量百分比计的原料：铝酸盐水泥：55～80%；磷酸盐：5～20%；活性外掺料：5～12%；耐高温外掺料：0～30%；本发明的水泥主要用于火驱稠油热采井固井过程中，具有耐高温性能好，使用寿命长，成本低的优点。

Description

一种火驱稠油热采井固井水泥

技术领域。

本发明涉及一种固井水泥，尤其涉及一种火驱稠油热采井固井水泥。

背景技术

我国有丰富的稠油资源，探明和控制储量已达16×10⁸t，是继美国、加拿大和委内瑞拉之后的世界第四大稠油生产国。重点分布在胜利、辽河、河南、新疆等油田。我国陆上稠油资源约占石油总资源量的20％以上，国内每年稠油产量约占原油总产量的10％，尚未动用的超稠油探明地质储量为7.01×10⁸t。

稠油粘度高,密度大,在地层中流动阻力大,为了提高采收率，稠油开采采用了一系列特殊的技术，其中以蒸汽吞吐、蒸汽驱、火烧油层、热水驱等热力开采为主。火烧油层是近年来发展很快的一种具有明显技术优势和潜力的热力采油方法,是提高稠油采收率的技术之一，具有驱油效率高、生产成本低、油藏适应范围广等特点。

玉门油田在上世纪开展过相关火驱稠油热采工艺的相关实验，但到目前为止，该种热采工艺并没有得到广泛推广。限制火烧油层稠油热采技术的关键技术之一就是需要耐高温的固井材料。在燃烧井中，火焰燃烧产生的热量会极大提高井内温度，最高处可达600℃以上的。因此要求水泥在600℃高温条件下强度不衰退、渗透率不下降、体积不收缩。常用的硅酸盐水泥在环境温度超过400℃时体积稳定性下降严重，伴随着强度的衰减及渗透率增加，水泥石最终开裂，完全失去封固套管、分割油层的作用。铝酸盐水泥具有良好的耐高温性能，但其高温性能需在1000℃以上才能体现出来，铝酸盐水泥的水化产物主要有三种CaO·Al₂O₃·12H₂O,2CaO·Al₂O₃·8H₂O、3CaO·Al₂O₃·6H₂O。这三种矿物在1000℃以上温度条件下，完全失去结晶水转化为陶瓷矿物相，从而具有耐高温性。铝酸盐水泥在400-800℃区间的水化物是以3CaO·Al₂O₃·6H₂O为主，但随养护时间延长有晶粒增大、水化物矿物失去结晶水现象，导致水泥石有明显的强度衰减现象，也不适用于火驱稠油热采井固井水泥。

现有技术中的耐高温水泥如公开号为CN103803823B，名称为“一种耐高温热采水泥及其制备方法”的发明专利，该专利公开的水泥由以下组分组成：55-65重量份铝酸盐水泥熟料，10-30重量份磷矿渣，10-30重量份矿渣，1-3重量份陶瓷纤维，1-3重量份橡胶粉。

该类水泥能在常温固化，在高温高压养护条件下，水泥水化物转变为耐高温的水化产物，但该种水泥使用的最高温度条件为315℃，也就是采用蒸汽驱、蒸汽吞吐等热采工艺时，井内固井水泥所承受的温度。而采用火驱稠油热菜工艺时，井内温度最高达600℃，该类高温水泥不能满足工艺条件。

又如公开号为CN102585789A，名称为“一种抗高温低密度高强度水泥浆”的发明专利，该专利公开的水泥浆，由以下各组分及重量份数组成：水泥100份，减轻剂23～35份，高温强度稳定剂30～40份，填充剂10～23份，分散剂1.5～2份，早强剂1～2份，降失水剂8～15份；其中，所述减轻剂为漂珠；所述高温强度稳定剂为高活性硅粉；所述填充剂为微硅；所述分散剂为醛酮缩合物或者萘系分散剂；所述早强剂的组分为硫代硫酸铝、硅酸钠、碱式氯化铝等中的两种或多种混配；所述降失水剂为磺化丙酮甲醛缩合物。

该专利主要发明一种可用于高温井的固井水泥浆，通过加入硅粉、微硅等材料，可有效提高油井水泥的使用温度。但该类水泥的水化产物是硅酸钙类产物。伴随温度的升高，水化产物会转变成硬硅钙石和白钙沸石。该类产物的稳定极限温度为400℃，且抗热震性差，在采用蒸汽吞吐工艺时，水泥石极易因热胀冷缩不均导致水泥环开裂。因此这种水泥也不用用于火驱稠油固井。

发明内容

本发明旨在提供一种火驱稠油热采井固井水泥，本发明通过选用磷酸盐、硅铝酸盐作胶凝材料，并通过添加一定比例的活性外掺料和高温外掺料，提高固井过程中的强度和耐温性能，解决现有技术稠油热采过程中，水泥耐高温性能差、强度低、使用寿命短的问题。

为了实现上述发明目的，本发明的技术方案如下：

一种火驱稠油热采井固井水泥，包括以下按质量百分比计的原料：

铝酸盐水泥：55～80%；

磷酸盐：5～20%；

活性外掺料：5～12%；

耐高温外掺料：0～30%；

本发明选用铝酸盐水泥为主要胶凝材料，铝酸盐水泥有很多品种，如CA50，CA60，CA70，CA80等，都可以作为本发明中铝酸盐水泥原料，其中50、60、70、80表示氧化铝的百分含量，数字越大，氧化铝成分越高，价格也越贵、铝酸钙含量也越高，水泥的最终强度也越高。铝酸盐水泥中的有效成分为铝酸钙，选用铝酸钙总含量≥85%的铝酸盐水泥，进一步满足本发明水泥的强度要求。

进一步地，上述原料中磷酸盐优选为六偏磷酸钠、多聚磷酸钠、磷酸二氢铝、三聚磷酸铝中的至少一种。

所述活性外掺料为微硅、高岭土中的至少一种。

该类活性外掺料主要有两类作用，一是：水泥中有磷酸钠为原料时，磷酸根与钙离子反应后，钠离子呈游离状态，游离态的钠离子在高温条件下会导致水泥石开裂。通过掺入微硅和/或高岭土，可防止水泥石的开裂，原理为：微硅的化学成分以SiO₂为主，高岭土的化学成分以SiO₂、Al₂O₃为主，与磷酸盐中的钠离子反应，生成硅铝钠或硅铝酸钙钠，避免游离态的钠离子存在，从而防止水泥石的开裂；二是在磷酸根全部反应完后，SiO₂、Al₂O₃与钙离子反应生产硅铝酸钙，避免水化铝酸钙水化物的形成，水化铝酸钙在高温条件下有强度衰减现象，因此添加微硅、高岭土可避免出现该矿物。通过掺入微硅、高岭土与铝酸钙反应生出钙长石，得到高温性能更好的硅铝酸钙矿物，使本发明的固井水泥耐高温性能更加。

所述耐高温外掺料为铝矾土粉、莫来石粉的中的至少一种；

所述耐高温外掺料中的三氧化二铝含量≥70%，比表面积为300～450㎡/kg，与水泥的相容性更好，因其熔点高于1800℃，耐高温性好，且原料来源广泛，成本低。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

（1）本发明水泥的水化物中没有硅酸钙或氢氧化钙，而是由磷酸盐、硅铝酸盐及高温外掺料组成，其水泥石以磷酸盐矿物为主，从而具有良好的抗热震性，在多次热循环过程中不会发生强度衰减现象。通过特定原料组成和特定比例设计，从根本上提高本发明水泥的耐高温性能，从而提高其强度和使用寿命。具体来说，磷酸盐与铝酸盐水泥加水混合成水泥浆时，PO₄ ^3-与铝酸盐水泥水化释放的Ca²⁺发生聚合反应，生成不定型的磷酸钙凝胶。铝酸钙（CaO·Al₂O₃，CaO·2Al₂O₃，2CaO·Al₂O₃等）水化释放的钙离子被磷酸盐夺取后，不能形成铝酸盐水泥的水化产物（水化铝酸钙），最终大量生产Al(OH)₃。这两类矿物都是具有耐高温的物质，相对于硅酸盐水泥体系，其使用温度极限得到了极大提高。

关于比例设计，本发明中的磷酸盐的用量主要根据铝酸盐水泥中的铝酸钙含量来确定，确保铝酸盐中60%以上的钙离子能与磷酸根反应生成磷酸钙，并根据磷酸钙在磷酸盐中的质量百分比来确定磷酸盐的重量百分比，但由于铝酸盐水泥不能完全反应，最佳掺量并不是钙离子完全反应时的对应的磷酸盐理论掺量，应小于理论计算掺量。并且磷酸钙是水泥水化物的主要组成部分，保证水泥石的抗压强度及耐高温性能，含量越高，水泥石的强度越高。但最高含量不宜超过80%，否则铝酸盐水泥中的铝酸钙过剩，即与磷酸盐、活性外掺料反应后，仍有铝酸钙剩余，最终成水化铝酸钙，影响水泥石的高温性能，故本发明中磷酸盐的含量上限为20%。另外，耐高温外掺料的主要作用是降低水泥成本，铝酸盐水泥、磷酸盐、活性外掺料的价格都比较高，使该固井水泥成本偏高。在水泥中加入耐高温外掺料，在不改变水泥性能的基础上，可有效降低水泥原材料成本。但掺量不能超过30%，否则水泥石强度降低幅度过大，不能满足固井水泥的强度要求。

综上，本发明的固井水泥相对于现有技术，具有耐高温性能好，使用寿命长，生产成本低的优点，尤其适用于稠油火驱热采工艺中。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明。

下述实施例中，实施例1～7为本发明的火驱稠油热采井固井水泥，实施例8、9为对比例，分别为G级油井水泥和铝酸盐水泥，具体配比如下表1。

表1：

上述实施例中，铝酸盐水泥为郑州嘉耐特种铝酸盐有限公司生产，六偏磷酸钠、多聚磷酸钠为四川金石磷化工有限公司生产，磷酸二氢铝为郑州育才磷酸盐化工厂生产，三聚磷酸铝为石家庄鑫盛化工有限公司生产；高岭土为灵寿县中石恒达矿产品加工厂提供，铝矾土粉为淄博卓越耐火材料有限公司提供，本发明优选三氧化二铝的含量≥70%，比表面积为300～450㎡/kg的铝矾土粉和莫来石粉，其耐高温效果更佳。

上述实施例1、2中，铝酸盐水泥选用的是CA50-A900铝酸盐水泥，实施例3、4、5、8选用的是CA50-A600铝酸盐水泥，实施例6、7选用的是是CA70铝酸盐水泥。

为了更好地说明本发明的有益效果，对上述9种水泥进行指标检测。

检测方法：按上述各配比的组成称量，将各种原材料预先混合好,水灰比，并根据国标相关要求制备水泥浆、成型。然后将水泥试模放入60℃养护箱中养护3d，脱模后将水泥试块放入高温高压釜中，在300℃、20.7MPa条件下养护3d，最后放入马弗炉中煅烧7d，温度为600℃，检测结果如下表2。

表2：

通过上表2可知：G级油井水泥（实施例8）低温条件下有较高的强度，但在高温条件下将完全丧失强度；铝酸盐水泥（实施例9）随着养护温度的升高，也伴随着强度衰减现象。本发明与普通G级油井水泥和铝酸盐水泥相比，在300℃、600℃下都具有较高的抗压强度，随着养护时间的延长，无强度衰减现象。在马弗炉快速升温煅烧过程中，水泥石没有出现裂纹，其抗热震性能好，该水泥可用于稠油热采井固井，尤其适用于火驱稠油热采井固井过程。

Claims (6)

1.一种火驱稠油热采井固井水泥，包括以下按质量百分比计的原料：

铝酸盐水泥：55～80%；

磷酸盐：5～20%；

活性外掺料：5～12%；

耐高温外掺料：0～30%。

2.如权利要求1所述的火驱稠油热采井固井水泥，其特征在于：所述铝酸盐水泥中铝酸钙的总含量＞85%。

3.如权利要求1所述的火驱稠油热采井固井水泥，其特征在于：所述磷酸盐为六偏磷酸钠、多聚磷酸钠、磷酸二氢铝、三聚磷酸铝中的至少一种。

4.如权利要求1所述的火驱稠油热采井固井水泥，其特征在于：所述活性外掺料为微硅、高岭土中的至少一种。

5.如权利要求1所述的火驱稠油热采井固井水泥，其特征在于：所述耐高温外掺料为铝矾土粉、莫来石粉中的至少一种。

6.如权利要求5所述的火驱稠油热采井固井水泥，其特征在于：所述耐高温外掺料中三氧化二铝的含量≥70%，耐高温外掺料粉体比表面积为300～450㎡/kg。